小型高速艇靜水阻力試驗研究

小型高速艇靜水阻力試驗研究

1高速交通實車性能改善方法高速商用車，如私家車，巡邏車等小型高速船，由于其機(jī)動靈活、成本低、日常運(yùn)營成本節(jié)約等優(yōu)點，已被廣泛使用。但由于其主尺度較小,耐波性能較差,尾部振動大,影響了使用性能。本文結(jié)合某項產(chǎn)品的設(shè)計論證和船模試驗,對改善艇的總體性能的若干措施進(jìn)行了研究,其中包括用尾壓浪板和首壓浪條減小船體阻力,采用深V線型改善艇的縱搖與升沉,采用主動式減搖鰭或閥控式減搖水艙減小船的橫搖,并提出采用鷹翅式大側(cè)斜螺旋槳來減小船體振動等。本文研究的高速交通艇,航速在23kn以上,在沿海航區(qū)航行。艇的主要要素如下:2改變沒有升沉力該艇的線型采用深V線型,橫剖面型線圖見圖1。深V線型對改善艇的縱搖、升沉運(yùn)動有好處,但靜水阻力偏高。為減小船體阻力,本艇安裝了尾壓浪板、首壓浪條等附體,并進(jìn)行船模試驗,以測定其減阻效果。2.1船模、尾壓板和首壓板的比例(1)船舶模型采用木模,模型縮尺比為λ=13.0,船?？傞L為2.59m。(2)尾壓浪板尾壓浪板長度為0.40m,寬度與艇的尾封板相同,壓浪板的安裝角分別取α=6°及8°,該角度是指尾壓浪板與水平線之間的夾角。(3)第一個壓浪板安裝在艇首部水線以上,左右對稱,其寬度為0.15m,安裝在15#～19#站之間。2.2實階段效果試驗結(jié)果本文進(jìn)行如下狀態(tài)的模型靜水阻力試驗:(1)滿載狀態(tài);(2)滿載狀態(tài)加裝尾壓浪板,安裝角為6°;(3)滿載狀態(tài)加裝尾壓浪板,安裝角為10°;由于尾壓浪板安裝角為6°時減阻效果較好,所以在此狀態(tài)下加裝首壓浪條。(4)滿載狀態(tài),加裝尾壓浪板(安裝角為6°)及首壓浪條。由試驗可得船模阻力曲線。根據(jù)船模阻力試驗結(jié)果,按Froude法換算得到實艇有效功率曲線,如圖2所示,其相應(yīng)的數(shù)值見表2。在計算有效功率時摩擦阻力系數(shù)采用1957ITTC公式,粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)ΔCf=0.3×10-3。由試驗結(jié)果可得出:(1)安裝尾壓浪板可取得一定的減阻效果。在設(shè)計航速23kn、尾壓浪板安裝角為6°時,有效功率降低4.5%,安裝角為10°時,有效功率降低3%。(2)在安裝尾壓浪板(安裝角為6°)時,同時安裝首部壓浪條,總的減阻效果更好。在設(shè)計航速23kn時,總的減阻效果可達(dá)5.6%。3深vdv線型結(jié)構(gòu)耐波性試驗研究小型高速艇從考慮具有良好的阻力性能出發(fā),過去大都采用圓舭線型。近10年來,國際上推出的深V線型,盡管其靜水阻力較差,但其耐波性能較圓舭線型有明顯改善。本文結(jié)合一項產(chǎn)品設(shè)計,對排水量為100噸級的深V線型艇的耐波性進(jìn)行了試驗研究,包括靜水自由橫搖衰減試驗、規(guī)則波中零速橫搖試驗、規(guī)則波中迎浪試驗。由于試驗經(jīng)費(fèi)的限制,沒有進(jìn)行相同尺度和排水量的圓舭型艇的對比試驗。文獻(xiàn)曾報道過不同線型的耐波性試驗結(jié)果。試驗的圓舭型實艇的排水量為400t,盡管這與本文試驗的深V線型艇的排水量相差較多,但相互比較還是可以得出一些定性的結(jié)論。3.1次橫搖阻尼系數(shù)根據(jù)兩種線型靜水橫搖試驗所得的消滅曲線,可求得相應(yīng)的無因次橫搖阻尼系數(shù)μ。求得100t級深V型的μ=0.0799,而400t級圓舭型艇的μ=0.0413(橫搖角φ=15°)?？梢娚頥船型的無因次橫搖阻尼值是圓舭船型的1.5倍以上。3.2實階段性能估算根據(jù)兩艇模型在規(guī)則波上試驗得到的橫搖頻率響應(yīng)曲線,應(yīng)用統(tǒng)計理論的方法估算實艇在不規(guī)則波浪上的橫搖性能。實艇性能估算采用ITTC波譜。實艇橫搖角在有義波高為2m時,計算的結(jié)果為:100t級深V型艇:φ1/3=23.30°400t級深V型艇:φ1/3=23.39°由此可見,盡管兩艇的尺度和排水量相差較大,但其橫搖角相當(dāng)。3.3實排放縱搖幅值在船模試驗中測定迎浪情況下船體的縱搖運(yùn)動幅值,可以得到實艇的頻率響應(yīng)曲線,據(jù)此可得出其縱搖運(yùn)動譜密度,從而可得到不同海況下實艇的縱搖幅值。表3給出了100t級深V型艇和400t級圓舭型艇在航速23kn左右時的縱搖幅值,其中θ1/3為有義縱搖角。由表3可見,100t級深V型艇和400t級圓舭型艇在有義波高為2.0m海況下,其縱搖性能相當(dāng)。4減搖裝置的選擇小型船舶由于尺度較小,橫搖周期很短,在實際海況中橫搖幅值又較大,雖然深V線型橫搖阻尼較大,但要從根本上解決橫搖性能,必須采取減搖裝置。對此,本艇進(jìn)行了閥控式減搖水艙和主動式減搖鰭的方案研究和設(shè)計,并進(jìn)行了優(yōu)缺點分析。4.1減搖水閥控制閥控式減搖水艙是一種可控被動水艙,它可通過閥門來調(diào)節(jié)水艙的固有周期,使其在不同的海況下都有較好的減搖效果。(1)減速帶的控制閥控式減搖水艙的控制原理圖見圖3。(2)水艙靜特征數(shù)計算水艙尺度的確定取決于船體布置、橫搖固有周期、所需減搖能力的大小、水艙中的水量等,根據(jù)100t級深V型艇的數(shù)據(jù),設(shè)計的水艙尺度如下(見圖4):邊水艙外側(cè)距船舯2.6m邊水艙寬0.8m邊水艙高1.5m邊水艙水位深1.0m水道深0.5m水艙沿船長方向長度3.0m水艙水量10.2t水艙水量占排水量比例10.2%本船橫搖固有周期3.49s,最常遭遇的波浪平均周期在4～5s之間,因此在海上的橫搖周期在3s以上。閥控水艙在閥門完全開啟的情況下,水流振蕩周期可以隨之變化,只要水流振蕩固有周期等于船舶橫搖周期,閥控減搖水艙就能發(fā)揮最佳效果。本水艙設(shè)計取減搖靜特征數(shù)為2度。一般說來,這類船舶的放大系數(shù)在共振時為5倍左右。減搖靜特征數(shù)2度可以抵消10°左右的橫搖角。(3)高、低風(fēng)速情況下的減搖效果閥控水艙的優(yōu)點是減搖效果較好,且基本上與船舶航速無關(guān),在高航速和低航速情況下具有大致相同的減搖效果。其缺點是水艙所需水量達(dá)10.2t,占艇排水量的10.2%,使艇的排水量增大,航速有所下降。4.2車輛的選擇和減搖主動式減搖鰭在艦船上已廣泛使用。為了減小在海浪上的橫搖,改善船員和乘客工作、生活條件,特地請專業(yè)設(shè)計部門為100t級深V型艇做了主動式減搖鰭的設(shè)計。(1)液壓系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)①一對不可收放式減搖鰭及其執(zhí)行機(jī)構(gòu),單鰭面積約為0.9m2;②一套液壓伺服系統(tǒng)用于驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu);③一套電器控制系統(tǒng)可自動測量艇的運(yùn)動狀態(tài),并形成控制信號,輸入液壓伺服系統(tǒng)控制鰭轉(zhuǎn)動,同時提供裝置的工作狀態(tài)顯示。(2)參數(shù)和減速效果設(shè)計①在4級海況航速20kn時,艇在任意航向航行時的剩余橫搖角的平均值≤3°;②減搖鰭避撞安全角大于3°;③全套裝置的總重量為2t左右。(3)優(yōu)秀分析優(yōu)點為:技術(shù)上成熟,減搖效果好,而且裝置的重量小,結(jié)構(gòu)緊湊。缺點為:在低航速或沒有航速時,減搖效果大為減小。5某艦隊的減振設(shè)計小型高速艇存在一個比較突出的問題是船體振動大。振動常由主機(jī)及螺旋槳引起。其中螺旋槳的因素更為重要。小型高速艇采用多葉大側(cè)斜槳是改善螺旋槳引起的船體振動的有效措施。由上海交通大學(xué)研制的鷹翅式大側(cè)斜螺旋槳已應(yīng)用在某護(hù)衛(wèi)艦上,其振動和噪音比用三葉槳有明顯降低,而且槳葉的腐蝕情況比較輕。該槳近來又在飛翼號高速雙體客輪上應(yīng)用,取得了很好的減振效果。實測結(jié)果表明:五葉大側(cè)斜槳引起的船體振動比三葉常規(guī)槳下降70%,而效率沒有降低。本船的設(shè)計方案是,主機(jī)選用TBD616V12兩臺,每臺持續(xù)功率為839kW,每分轉(zhuǎn)數(shù)為2165r/min,選用ZFBW255型齒輪箱,減速比為1∶2.75。本船選用JQ型鷹翅式五葉大側(cè)斜螺旋槳,設(shè)計結(jié)果為:直徑D=0.94m;盤面比=0.81;0.7R處螺距比PD=1.562ΡD=1.562。按10%功率儲備,此船航速可達(dá)23.65kn。本船應(yīng)用5葉大側(cè)斜槳后,預(yù)計船體振動會比用常規(guī)三葉槳有明顯降低。6船模試驗的成果(1)船模試驗表明,采用尺度適當(dāng)?shù)奈矇豪税?可以有效地降低船體阻力,如配合安裝首部壓浪條,其減阻效果更好。(2)船模試